EVERLIGHT 反射式光中斷器(Photointerrupter; ITR)物體偵測應用說明

1. 簡介： 

隨著科技進步，各種電子產品的自動化程度也跟著提高，自動化程度越高的產品，代表也包含了 更多的感測元件。為了避免人眼被環境中各種產品或設備感測時發射的光干擾，所以使用人眼無法察 覺的紅外線(Infrared; IR)產品做為感測器。這份應用手冊將會介紹如何利用紅外線發射元件(Infrared  Emitter)及紅外線接收元件(Infrared Receiver)作物體偵測應用。 最常見的紅外線發射及接收元件就是紅外線發光二極體(IR Light-emitting diode; IR LED)及光 電晶體(Photo Transistor; PT)，圖1 為基本的 IR LED 搭配 PT 的應用電路。 

 
圖1 IR LED 及 PT 基本應用電路 

原理說明： 

•  IR LED 為發射端，順向電流(Forward current; IF)越大發射的輻射強度越大。 
• PT 為接收端，收到的輻照度越大，產生的光電流 IC(on)越大。 
• 調整 Rlimit 值可控制 IF 的大小。 
• 調整 RL 值可控制 Vout 的大小。 
• Vout 可接 MCU 的 ADC(Analog-to-Digital Converter)或 GPIO 做準位判斷。

• 無輻照度時，PT 截止，Vout 輸出為高電位(Vcc) 
• 輻照度低時，PT 導通，Vout 輸出為高電位(Vcc – (Ic x RL)) 
• 輻照度高時，PT 飽和，Vout 輸出為低電位(VCE(sat)) 

註：VCE(sat)為 PT 飽和電壓。 

2. 利用反射式 ITR 做物體偵測方法： 

IR LED 通常和 PT 一起搭配作為物體偵測或是遮斷偵測應用。圖2 為利用 IR LED 發射 IR 經由物 體反射到 PT 做反射式物體偵測的示意圖；為了避免 IR LED 發射的 IR 不經過物體反射，直接在機構 內照射到 PT 造成誤判，所以 IR LED 跟 PT 必須有效隔離。利用底下的兩項特性，即可做到反射物的 距離偵測。 

• l  反射物距離越近，PT 收到的反射輻照度越強，輸出的電流會越高。 
• l  不同的材料會有不同的反射率，一般顏色越深、表面越粗糙的物體反射率越低，同距離情況下，接收端輸出的電流相對會降低。 

 
圖2 反射物的距離及材質對物體偵測的影響 

                

 

圖6 為一應用電路圖範例，利用 MCU 的 GPIO 控制 MOSFET 的開、關來控制 IR 發射脈衝，並 把 Vout 接到 MCU 的 ADC 接腳；利用調整 R limit、RL 的電阻值來確認物體偵測的距離，最後利用 ADC 讀取的 Vout(Off)及 Vout(On)差異值來設定物體偵測的閥值。 

參考圖4 的方式控制 GPIO 及參考圖5 的波形作 ADC 取樣時間設定，底下以使用億光 ITR20001/T24 (Bin K)為例，IR on 時間長度為 350us，在 300us 時取樣 Vout(On)，IR Off 時間長度 為 50ms，在 6ms 時取樣 Vout(Off)。Vcc = 5V，R limit= 82 ohm(IF ≒ 50mA)，RL= 150k ohm。 建議閥值可設定在 ADC 最大值的 1/3 左右，此 1/3 值是為了保留給光干擾的 Offset 使用，此值設定 越大抗光干擾能力越強，但物體偵測範圍會相對降低。圖7 為採上述方式設定，並把 Vout 接到 ADC 後，對不同偵測物的比較(Y 軸為 Vout(Off)與 Vout(On)差異的 ADC 讀值)。由圖中可看出反射物顏色 越淺反射量越高，可偵測的距離範圍越大，一般會折中以灰卡做設計參考，以此圖為例，灰卡的可判 斷的範圍約為 0.1~6cm，黑卡為 0.1~3.5cm，白卡為 0.1~9.5cm。 
圖8 為反射物灰卡配合 150k ohm 的 RL 做改變 IF 的測試，可發現當 IF 增加到 100mA 時，可判 斷的範圍會增加為 0.1~9cm。 
圖9 為反射物灰卡配合 50mA 的 IF 做改變 RL 的測試，可發現當 RL 降低到 68k ohm 時，可判斷 的範圍會降低到 0.1~4.5cm。 

 註：1. 若偵測物體跟 ITR 完全密合，因無反射路徑會使反射值為零。      2. 以上測試結果都是以 ITR 上方不加蓋板(單體裸測)。 

圖6 應用電路圖 

圖7 不同顏色待測物對 ADC 讀值影響   

           
圖8 不同 IF 對偵測距離的影響


圖9 不同 RL 對偵測距離的影響

4. 結論 

調整 IF 或 RL 可以調整物體偵測距離，若想增加偵測距離且無功耗考量，建議以增加 IF 優先，因 加大 RL 同時也會增加光干擾的強度；若是要降低偵測距離則以降低 RL 電阻值優先，同時降低環境光 干擾。 

5.推薦型號 

使用反射式光中斷器（Photointerrupter或ITR）進行物體偵測時，應用問題：

Q/A 1. 是否可適應不同物體?
物體的形狀、材質和表面特性可能會對光的反射和吸收產生不同的影響。這可能導致光束的反射不足以觸發光中斷器，或者光被物體完全吸收，無法到達光敏元件。解決這個問題需要選擇合適的光中斷器和調整其位置和參數。

Q/A 2.會因為環境光干擾?
周圍環境中的光源可能會對光中斷器的正常運作產生干擾。例如，強烈的陽光或其他照明設備的光源可能使光中斷器誤判物體存在。使用適當的屏蔽材料或濾光片可以減輕這種環境光干擾。

Q/A 3. 是否可以對高速物體的偵測?
某些應用中需要快速偵測高速移動的物體。在這種情況下，光中斷器需要具有足夠的響應時間和高速度的訊號處理能力。選擇具有高速響應的光中斷器並調整其閾值和敏感度是關鍵。

Q/A 4.會因為安裝位置和方向而影響嗎?
光中斷器的安裝位置和方向對其性能和偵測準確度至關重要。如果安裝位置不當或方向不準確，可能會導致偵測到錯誤的信號或錯誤地忽略物體。在安裝過程中需要仔細考慮物體運動的軌跡和速度，以確保光中斷器可以正確地檢測到目標物體。

Q/A 5. 會因為震動和振動干擾而影響嗎?
在一些應用中，如機械設備或運輸系統中，震動和振動可能會對光中斷器的運作造成干擾。這種干擾可能會導致虛假的觸發或錯誤的未觸發。為了減輕這種干擾，可以使用防震裝置或選擇更耐震動的光中斷器。